JP2014527114A - 硬化性フルオロエラストマー組成物およびそれから製造されたホットエアホース - Google Patents

硬化性フルオロエラストマー組成物およびそれから製造されたホットエアホース Download PDF

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Abstract

本発明は、過酸化物硬化性フルオロエラストマーと、25〜130m/gの窒素吸着比表面積(N2SA)および50〜140ml/100gのフタル酸ジブチル吸収量(DBP)を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり8〜25重量部のカーボンブラックと、少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1個のエステル基を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり0.1〜8重量部の可塑剤と、を含む硬化性フルオロエラストマー組成物である。

Description

本発明は、過酸化物硬化性フルオロエラストマーと、25〜130m/gの窒素吸着比表面積(N2SA)および50〜140ml/100gのフタル酸ジブチル(DBP)吸収量を有するカーボンブラックと、少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1個のエステル基を有する可塑剤とを含む、硬化性フルオロエラストマー組成物に関する。
排ガス規制の強化のために、ターボチャージャー付きエンジンを有する乗り物の割合が増加している。また、ターボチャージャー付きエンジンでエアダクトが曝される温度も高くなっている。フルオロエラストマーは、典型的には高温エアダクトに用いられている。
ターボチャージャー用ホースは、運転中に高温で反復振動を受ける。したがって、ホースに用いられるゴムは、力学的疲労および高温に対して十分な耐性を有するべきである。力学的疲労性能は、典型的には室温と高温の両方で破断時伸び(Eb)によって評価される。Ebが大きければ大きいほど、耐疲労性はより良好である。Ebは、静的熱老化の間に低下する傾向がある。したがって、高温で適切な性能を保証するためには、室温での高い初期Ebが有利である。
比較的低い架橋密度および/または比較的低いフィラー補強を用いることによって、少なくとも350%の室温での高いEbを有するフッ化ゴムを作製することは可能である。しかし、従来の手段によって高温で必要なEbを得ることは難しい。高温でのゴムの物理的特性は、通常エントロピー弾性よりもむしろ、内部エネルギー(すなわち、エネルギー弾性)の要素によって支配される。内部エネルギーは、フィラー要素に主に起因する。
カーボンブラックは、ゴム配合に用いられる典型的な補強フィラーである。比較的低い表面積のカーボンブラック(例えば、MT、N990)が、典型的にはフルオロエラストマー配合に用いられ、補強効果は通常低い。これは、フルオロエラストマーコンパウンドにとって高温でEb性能不良をもたらす。高補強性カーボンブラック(例えば、HAF、N330)は、高温破断点伸びを改善する。しかしながら、高補強性カーボンブラックを含有するフルオロエラストマー組成物のムーニー粘度は、しばしば高過ぎて、ホース中に容易に押し出せない。
可塑剤は、エラストマー組成物のムーニー粘度を低下させることが知られている。しかしながら、ゴム業界で用いられる可塑剤のほとんどは、フルオロエラストマー硬化温度およびターボチャージャー用ホースが用いられる温度で退色しやすい。
良好な高温Ebを有する硬化物品を生成し、かつ組成物をホースに容易に加工するために十分に低いムーニー粘度を有する硬化性フルオロエラストオマー組成物を有することが望ましい。
本発明の一態様は、
A)過酸化物硬化性フルオロエラストマーと、
B)25〜130m/gの窒素吸着比表面積および50〜140ml/100gのフタル酸ジブチル吸収量を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり8〜25重量部のカーボンブラックと、
C)少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1個のエステル基を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり0.1〜8重量部の可塑剤と、
D)フルオロエラストマー100重量部当たり0.25〜2重量部の有機過酸化物と、
E)フルオロエラストマー100重量部当たり0.3〜1.3重量部の多官能性助剤と、を含む硬化性フルオロエラストマー組成物を提供する。
本発明の別の態様は、上記のフルオロエラストマーから製造されたホットエアホースである。
本発明は、硬化性フルオロエラストマー組成物およびそれから製造されたホットエアホースに関する。「フルオロエラストマー」とは、非晶質エラストマー性フルオロポリマーを意味する。フルオロエラストマーは、少なくとも53重量パーセントのフッ素、好ましくは63〜72重量%のフッ素を含む。本発明の組成物で用いられてもよいフルオロエラストマーは、フルオロエラストマーの重量に基づいて、フッ化ビニリデン(VF)の共重合単位を25〜70重量パーセント含む。フルオロエラストマー中の残りの単位は、フッ素含有オレフィン、フッ素含有ビニルエーテル、炭化水素オレフィンおよびこれらの混合物からなる群から選択される、前記VFとは異なる1種以上のさらなる共重合モノマーを含む。
VFと共重合可能なフッ素含有オレフィンには、限定されるものではないが、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(1−HPFP)、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)およびフッ化ビニルが含まれる。
VFと共重合可能なフッ素含有ビニルエーテルには、限定されるものではないが、パーフルオロ(アルキルビニル)エーテルが含まれる。モノマーとしての使用に好適なパーフルオロ(アルキルビニル)エーテル(PAVE)は、式
CF=CFO(Rf’O)(Rf’’O) (I)
(式中、Rf’およびRf’’は、異なる直鎖または分岐の2〜6個の炭素原子のパーフルオロアルキレン基であり、mおよびnは、独立して0〜10であり、Rは、1〜6個の炭素原子のパーフルオロアルキル基である)
のものを含む。
好ましいクラスのパーフルオロ(アルキルビニル)エーテルは、式
CF=CFO(CFCFXO) (II)
(式中、Xは、FまたはCFであり、nは、0〜5であり、Rは、1〜6個の炭素原子のパーフルオロアルキル基である)の組成物を含む。
最も好ましいクラスのパーフルオロ(アルキルビニル)エーテルは、nが0または1であり、Rが1〜3個の炭素原子を有するエーテルを含む。このようなパーフッ素化エーテルの例には、パーフルオロ(メチルビニル)エーテル(PMVE)およびパーフルオロ(プロピルビニル)エーテル(PPVE)が含まれる。他の有用なモノマーは、式
CF=CFO[(CFCFCFZO] (III)
(式中、Rは、1〜6個の炭素原子を有するパーフルオロアルキル基であり、m=0または1、n=0〜5、Z=FまたはCである)
の化合物を含む。このクラスの好ましいメンバーは、RがCFであり、m=0、n=1であるものである。
さらなるパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)モノマーは、式
CF=CFO[(CFCF{CF}O)(CFCFCFO)(CF)p]C2x+1 (IV)
(式中、mおよびnは、独立して=0〜10、p=0〜3、x=1〜5である)
の化合物を含む。このクラスの好ましいメンバーは、n=0〜1、m=0〜1、x=1であるものを含む。
有用なパーフルオロ(アルキルビニル)エーテルの他の例は、
CF=CFOCFCF(CF)O(CFO)2n+1 (V)
(式中、n=1〜5、m=1〜3、かつ好ましくはn=1である)
を含む。
PAVEの共重合単位が、本発明で用いられるフルオロエラストマー中に存在する場合、PAVE含有量は、一般にフルオロエラストマーの全重量に基づいて、25〜75重量パーセントの範囲である。パーフルオロ(メチルビニル)エーテルが用いられる場合、フルオロエラストマーは、好ましくは30〜55重量%の共重合PMVE単位を含む。
本発明の組成物中に用いられてもよい他のフルオロエラストマーは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(アルキルビニル)エーテル、好ましくはPMVEとのコポリマーを含む。このようなフルオロエラストマーは、典型的には30〜55重量%の共重合PMVE単位を含む。
本発明の組成物中で用いられるフルオロエラストマーは、過酸化物硬化性であり、それらが、ヨウ素および/または臭素硬化部位を有することを意味する。これらの硬化部位の供給源は、共重合硬化部位モノマーおよび/または硬化部位含有連鎖移動剤の存在下でフルオロエラストマーの重合の結果として生じるものであり得る。
好適な硬化部位モノマーの例には、i)臭素含有オレフィン、ii)ヨウ素含有オレフィン、iii)臭素含有ビニルエーテル、およびiv)ヨウ素含有ビニルエーテルが含まれる。
臭素化硬化部位モノマーは、他のハロゲン、好ましくはフッ素を含んでもよい。臭素化オレフィン硬化部位モノマーの例は、CF=CFOCFCFCFOCFCFBr;ブロモトリフルオロエチレン;4−ブロモ−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(BTFB);ならびにその他のもの、例えば、臭化ビニル、1−ブロモ−2,2−ジフルオロエチレン;パーフルオロアリルブロミド;4−ブロモ−1,1,2−トリフルオロブテン−1;4−ブロモ−1,1,3,3,4,4−ヘキサフルオロブテン;4−ブロモ−3−クロロ−1,1,3,4,4−ペンタフルオロブテン;6−ブロモ−5,5,6,6−テトラフルオロヘキセン;4−ブロモパーフルオロブテン−1および3,3−ジフルオロアリルブロミドである。本発明で有用な臭素化ビニルエーテル硬化部位モノマーには、2−ブロモ−パーフルオロエチルパーフルオロビニルエーテル、およびCFBr−R−O−CF=CF(Rは、パーフルオロアルキレン基である)のクラスのフッ素化化合物、例えば、CFBrCFO−CF=CF、およびROCF=CFBrまたはROCBr=CF(ここで、Rは、低級アルキル基またはフルオロアルキル基である)のクラスのフルオロビニルエーテル、例えば、CHOCF=CFBrまたはCFCHOCF=CFBrが含まれる。
好適なヨウ素化硬化部位モノマーは、式:CHR=CH−Z−CHCHR−I(式中、Rは−Hまたは−CHであり;Zは、1個以上のエーテル酸素原子を任意選択的に含有する、直鎖もしくは分岐のC〜C18(パー)フルオロアルキレン基、または米国特許第5,674,959号明細書に開示されたとおりの(パー)フルオロポリオキシアルキレン基である)のヨウ素化オレフィンを含む。有用なヨウ素化硬化部位モノマーの他の例は、米国特許第5,717,036号明細書に開示された通りの、式:I(CHCFCFOCF=CFおよびICHCFO[CF(CF)CFO]CF=CFなど(式中、n=1〜3である)の不飽和エーテルである。さらに、ヨードエチレン、4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(ITFB);3−クロロ−4−ヨード−3,4,4−トリフルオロブテン;2−ヨード−1,1,2,2−テトラフルオロ−1−(ビニルオキシ)エタン;2−ヨード−1−(パーフルオロビニルオキシ)−1,1,−2,2−テトラフルオロエチレン;1,1,2,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−ヨード−1−(パーフルオロビニルオキシ)プロパン;2−ヨードエチルビニルエーテル;3,3,4,5,5,5−ヘキサフルオロ−4−ヨードペンテン;およびヨードトリフルオロエチレンを含む好適なヨウ素化硬化部位モノマーが、米国特許第4,694,045明細書に開示されている。ヨウ化アリルおよび2−ヨード−パーフルオロエチルパーフルオロビニルエーテルも、有用な硬化部位モノマーである。
硬化部位モノマーの単位は、本発明の硬化物品に用いられるフルオロエラストマー中に存在する場合、典型的には0.05〜10重量%(フルオロエラストマーの全重量に基づいて)、好ましくは0.05〜5重量%、最も好ましくは0.05〜3重量%のレベルで存在する。
共重合硬化部位モノマーに加えてまたは代替的に、ヨウ素含有末端基、臭素含有末端基またはこれらの混合物は、任意選択的に、フルオロエラストマーの調製の間に連鎖移動剤または分子量調節剤の使用の結果としてフルオロエラストマーポリマー鎖末端の片方または両方に存在していてもよい。連鎖移動剤の量は、用いられる場合、0.005〜5重量%、好ましくは0.05〜3重量%の範囲でフルオロエラストマー中のヨウ素または臭素のレベルをもたらすように計算される。
連鎖移動剤の例には、ポリマー分子の片末端または両末端で結合ヨウ素の取込みをもたらすヨウ素含有化合物が含まれる。ヨウ化メチレン;1,4−ジヨードパーフルオロ−n−ブタン;および1,6−ジヨード−3,3,4,4−テトラフルオロヘキサンは、このような剤の代表的なものである。他のヨウ素化連鎖移動剤には、1,3−ジヨードパーフルオロプロパン;1,6−ジヨードパーフルオロヘキサン;1,3−ジヨード−2−クロロパーフルオロプロパン;1,2−ジ(ヨードジフルオロメチル)−パーフルオロシクロブタン;モノヨードパーフルオロエタン;モノヨードパーフルオロブタン;2−ヨード−1−ヒドロパーフルオロエタンなどが含まれる。欧州特許出願公開第0868447A1号明細書に開示されたシアノ−ヨウ素連鎖移動剤も含まれる。ジヨウ素化連鎖移動剤が特に好ましい。
臭素化連鎖移動剤の例には、1−ブロモ−2−ヨードパーフルオロエタン、1−ブロモ−3−ヨードパーフルオロプロパン、1−ヨード−2−ブロモ−1,1−ジフルオロエタンおよび米国特許第5,151,492号明細書に開示されたものなどの他のものが含まれる。
本発明で用いられてもよい具体的なフルオロエラストマーには、限定されるものではないが、少なくとも53重量%のフッ素を有し、かつi)フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレン、ii)フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびテトラフルオロエチレン、iii)フッ化ビニリデン、パーフルオロ(メチルビニル)エーテルおよびテトラフルオロエチレンならびにiv)テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロ(メチルビニル)エーテルの共重合単位を含むものが含まれる。簡単にするために、ヨウ素および/または臭素含有硬化部位は、これらのコポリマー上に示されない。しかしながら、これらのフルオロエラストマーは、過酸化物硬化性であり、したがってそれらは上記のとおりのヨウ素および/または臭素硬化部位を有することが理解される。
本発明で用いられるカーボンブラックフィラーは、25〜130(好ましくは25〜80)m/gの窒素吸着比表面積(ASTM D−6556)および50〜140(好ましくは90〜125)ml/100gのフタル酸ジブチル吸収量(ASTM D−2424)の特定の範囲を有する。このような種類のカーボンブラックの例には、限定されるものではないが、HAF(ASTM N330)、ISAF(ASTM N220)、SAF(ASTM N110)、SRF−HS−HM(N774)およびFEF(N550)が含まれる。FEFが好ましい。種々のカーボンブラックの混合物が用いられてもよい。
本発明の硬化性組成物中に用いられるカーボンブラックの量は、フルオロエラストマー100重量部当たり8〜25(好ましくは15〜20)重量部である。
本発明で用いられてもよい可塑剤は、少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1個のエステル基を含むものである。典型的には、可塑剤は、少なくとも1個のアクリレート、メタクリレートまたはエタクリレート基を含む。このような可塑剤の具体的な例には、限定されるものではないが、トリメチロールプロパントリメタクリレート、多価アルコールエタクリレート、多価アルコールメタクリレートおよび多価アルコールアクリレートが含まれる。用いられる可塑剤の量は、フルオロエラストマー100重量部当たり0.1〜8(好ましくは1〜4)重量部の可塑剤である。
フルオロエラストマー、カーボンブラックおよび可塑剤は、内部ミキサー(例えば、Banbury(登録商標)、ニーダーまたはIntermix(登録商標))中で混合される。他の成分(有機過酸化物を除く)もこの時点で混合されてもよい。
本発明で用いられるフルオロエラストマー組成物を架橋するために用いられる硬化剤のレベルは、破断点伸びおよび圧縮永久ひずみなどの特性をバランスさせるように設定される。硬化剤のレベルが低ければ低いほど、破断点伸びはより高いが、硬化剤のレベルが低いと、高温で望ましくなく高い圧縮永久ひずみを生じる。
多官能性助剤(例えば、トリアリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレート)のレベルは、フルオロエラストマー100重量部当たり0.3〜1.3、好ましくは0.5〜1.0重量部である。
本発明の組成物における使用に適した有機過酸化物には、限定されるものではないが、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)オクタン、n−ブチル−4,4−ビス(t−ブチルパーオキシ)バレレート、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)ブタン、2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジヒドロキシパーオキシド、ジ−t−ブチルパーオキシド、t−ブチルクミルパーオキシド、ジクミルパーオキシド、アルファ,アルファ’−ビス(t−ブチルパーオキシ−m−イソプロピル)ベンゼン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキセン−3、ベンゾイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシベンゼン;2,5−ジメチル−2,5−ジ(ベンゾイルパーオキシ)ヘキサン、t−ブチルパーオキシマレイン酸、およびt−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネートが含まれる。有機過酸化物の好ましい例には、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジクミルパーオキシド、およびアルファ,アルファ’−ビス(t−ブチルパーオキシ−m−イソプロピル)ベンゼンが含まれる。有機過酸化物のレベルは、フルオロエラストマー100重量部当たり0.25〜2、好ましくは0.7〜1.5重量部である。
有機過酸化物硬化剤は、早期加硫を防ぐために120℃未満の温度でフルオロエラストマーと、カーボンブラックと、可塑剤との混合物に添加される。典型的には、過酸化物は、内部ミキサー中によりはむしろ、ロールミル上で添加される。得られた硬化性組成物は、ML(1+4)、100℃で、80以下のムーニー粘度を有する。ムーニー粘度は、JIS K6300に準拠して測定される。
次いで、硬化性組成物は、本発明の硬化ホットエアホースを製造するために、成形(例えば、押出し)および硬化される。フルオロエラストマーは、ホース全体、またはよりありそうには、多層ホースの内層を形成し得る。典型的な硬化条件は、プレス中180℃で10分間、続いて空気オーブン中200℃で4時間である。
任意選択的に、本発明の硬化ホットエアホースは、例えば、加工助剤、着色剤、酸受容体などの、ゴム業界で通常用いられるさらなる成分を含有してもよい。
本発明の硬化(すなわち、架橋)ホットエアホース(例えば、ターボチャージャー用ホース)は、耐熱性と機械的性能との顕著なバランスを有する。本発明の組成物から製造された硬化ゴムは、230℃で120%以上(好ましくは≧130%)の破断点伸び(Eb)を示す。23℃での硬度(デュロA、JIS K6253)は、73〜85ポイントである。230℃で168時間オーブン加熱老化後の硬度の変化(JIS K6257に準拠して測定された)は、8ポイント以下である。230℃で70時間にわたる25%圧縮後の圧縮永久ひずみ(大形試験片、JIS K6262に準拠して測定された)は、70%以下である。
上記のフルオロエラストマー化合物は、高温で動的耐疲労性を必要とする他の用途、例えば、ダイヤフラムにおいても有用である。
試験方法
ムーニー粘度 JIS K6300
デュロA硬度 JIS K6253
引張特性 JIS K6251
圧縮永久ひずみ JIS K6262
本発明は、以下の実施例によってさらに例証されるが、限定されるものではない。
実施例1
本発明の硬化性組成物(試料1〜4)および比較組成物(試料A〜F)を1.0Lのニーダー内部ミキサー中で作製した。最初に、フルオロエラストマーを混合チャンバーに加え、混合を開始した。ポリマー温度が少なくとも90℃になった後、有機過酸化物を除いて、他の成分を添加した。混合は、40〜60rpmのローター速度で数分間であった。組成物の温度が130℃を超えて増加した時は、混合を減速した。組成物を取り除いた。次いで、帯状に連なる組成物をロールミル上で作製し、有機過酸化物を加えて、硬化性組成物を形成した。
配合を表Iに示す。硬化スラブシートのムーニー粘度および物理的特性を表IIに示す。スラブシートは、180℃で10分間プレス硬化させ、続いてオーブン中200℃で4時間後硬化させた。
Figure 2014527114
Figure 2014527114

Claims (10)

  1. A)過酸化物硬化性フルオロエラストマーと、
    B)25〜130m/gの窒素吸着比表面積および50〜140ml/100gのフタル酸ジブチル吸収量を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり8〜25重量部のカーボンブラックと、
    C)少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1個のエステル基を有する、フルオロエラストマー100重量部当たり0.1〜8重量部の可塑剤と、
    D)フルオロエラストマー100重量部当たり0.25〜2重量部の有機過酸化物と、
    E)フルオロエラストマー100重量部当たり0.3〜1.3重量部の多官能性助剤と、を含む硬化性フルオロエラストマー組成物。
  2. 前記可塑剤が、アクリレート、メタクリレートおよびエタクリレートからなる群から選択される少なくとも1種のアクリレートを含む、請求項1に記載の硬化性組成物。
  3. 前記可塑剤が、トリメチロールプロパントリメタクリレート、多価アルコールエタクリレート、多価アルコールメタクリレートおよび多価アルコールアクリレートからなる群から選択される、請求項2に記載の硬化性組成物。
  4. 前記カーボンブラックが、HAF、ISAF SAF、SRF−HS−HMおよびFEFからなる群から選択される、請求項1に記載の硬化性組成物。
  5. JIS K6300に準拠し、ML(1+4)、100℃で測定された、最大で80までのムーニー粘度を有する、請求項1に記載の硬化性組成物。
  6. 請求項1に記載の組成物から製造された硬化高温エアホース。
  7. JIS K6251に準拠して、230℃で少なくとも120%の破断点伸びを有する、請求項6に記載の高温エアホース。
  8. JIS K6253に準拠して、23℃で73〜85ポイントのデュロA硬度を有する、請求項6に記載の高温エアホース。
  9. JIS K6257に準拠して測定された、230℃で168時間オーブン加熱老化後に8ポイント以下の硬度の変化を有する、請求項6に記載の高温エアホース。
  10. 230℃で70時間にわたる25%圧縮後に(大形試験片、JIS K6262に従って測定された)、70%以下の圧縮永久ひずみを有する、請求項6に記載の高温エアホース。
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